Проект «Выращивание кристаллов»

Автор: Суханкина Валентина Николаевна

Организация: МАОУ «Порецкая СОШ»

Населенный пункт: Чувашская Республика, село Порецкое

Введение

Кристаллы один из самых красивых и загадочных творений природы. Окружающий нас мир состоит из кристаллов, можно сказать, что мы живем в мире кристаллов. Кристаллы встречаются нам повсюду: мы ходим по кристаллам, едим кристаллы, лечимся ими. Человек строит дома из кристаллов, обрабатывает кристаллы на заводах, выращивает их в космосе, использует их для украшений, широко применяет их в технике и в науке.

Кристаллы бывают не только природными, но также и искусственными, выращиваемыми человеком. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее, однороднее и чище, чем встречаются в природе. Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а для техники и науки очень важны.

Многие ученые, внесшие большой вклад в развитие физики, химии и минералогии, начинали свои первые опыты с выращивания кристаллов, пытаясь понять, как они образуются. Все кристаллы, окружающие нас, не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно.

Актуальность темы

XXI век характеризуется интенсивным развитием нанотехнологий, применяемых в электронике, технике, медицине, биотехнологиях, в основе которых лежит использование различных кристаллов и жидкокристаллических веществ. Некоторые кристаллы удивляют своей красотой, правильностью формы и чистотой, а некоторые кристаллы мутные или острые, как иголка. Почему так разнообразны кристаллы? Можно ли вырастить кристаллы в домашних условиях? Об этом мало говорится в школьном учебнике физики. Я решила попытаться найти ответы на эти вопросы. Поэтому, свою работу я посвятила отработке навыков по выращиванию кристаллов различных веществ в домашних условиях.

 

Объект исследования - насыщенные растворы водных растворов различных веществ.

Предмет исследования: кристаллы

Гипотеза: существует мнение, что можно вырастить кристаллы различной окраски, формы, размера.

 

Цель работы: вырастить кристаллы из растворов различных веществ в домашних условиях.

Задачи:

1. Изучить методику выращивания кристаллов в домашних условиях.

2. Проведение опытов по выращиванию кристаллов из различных веществ.

3. Изготовить модели некоторых кристаллов из бумаги и их кристаллические решётки.

4. Анализ полученных экспериментальных данных.

Методы исследования: сбор и анализ информации;

проведение эксперимента;

наблюдение.

 

Основные сведения о кристаллах и их строении.

Большинство веществ, окружающих нас находятся в твёрдом состоянии. Твёрдые тела сохраняют не только свой объём, но и форму. Они находятся преимущественно в кристаллическом состоянии. Кристаллы - это твёрдые тела, атомы или молекулы которых занимают определён­ные, упорядоченные положения в пространстве. Мир кристаллов - удивительный мир многогранников. Каких только по форме не бывает кристаллов: правильные многогранники - кубы, тетраэдры, октаэдры, икосаэдры, додекаэдры. Также многогранники, в основании которых лежат правильные многоугольники: призмы - треугольные, четырёхугольные, n - угольные, параллелепипеды и другие. Существуют особые формы кристаллов: столбики, звёзды, иглы, лепестки, сростки и т.п. Кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами. Для кристаллов поваренной соли типична форма куба, для алмаза – форма октаэдра, кварц кристаллизуется в виде заострённых на концах шестигранных призм (Приложение 1).

• внешними признаками твёрдого тела являются его правильная кристаллическая форма и плоскогранность. Правильная форма выражена в его симметрии. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: центр, ось или плоскость симметрии. На первый взгляд кажется, что число видов симметрии может быть бесконечно большим. В 1867 г. русский инженер А. В. Гадолин впервые доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии. Например, у шестиугольной снежинки обнаруживается шесть плоскостей симметрии. Сгибая рисунок по любой из шести линий, можно совместить друг с другом обе половинки снежинки (Приложение 2). Также велики заслуги в изучении кристаллов выдающегося русского кристаллографа Е.С. Фёдорова. Он пришёл к выводу, что кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид, в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллело­грамм и шестиуголь­ник. По выражению Е.С. Фёдорова «кристаллы блещут симметрией».

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла используют его изображение с помощью кристаллической решётки. Кристаллическая решётка - «скелет кристалла». В узлах решётки – атомы, молекулы или ионы. Стержни в модели решётки - силы взаимодействия между молекулами. В зависимости от того, какие части­цы лежат в узлах кристаллической решётки, принято различать несколько типов кри­сталлических решёток: ионные, атомные, металлические и молекулярные (Рисунок 4, Приложение 3). Поэтому и формы кристаллов разных веществ тоже разные. Е.С. Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных кристаллических решёток.

На примере графита и алмаза можно показать, что свойства кристаллических веществ определяются структурой кристаллических решёток. Между алмазом и графитом оказывается много общего, хотя на первый взгляд это общее трудно увидеть. Алмаз необычно твёрд, прозрачен, не проводит электрический ток (диэлектрик), обработанные алмазы - драгоценность, известны в быту как бриллианты. (Приложение 4)

Графит мягок, легко расслаивается, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз, и графит - это чистый углерод. Различие свойств алмаза и графита связано только различием их кристаллических решёток. При определённых условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит до температуры 2000-2500 К под давлением 10¹⁰ Па, то произойдет перестройка кристаллической решётки, в результате чего графит превратится в алмаз. Так получают искусственные алмазы. Если же нагреть алмаз до t=150°С в вакууме, то он превратится в графит.

Кристаллические тела могут быть монокристаллическими и поликристалличе­скими. Монокристалл – одиночный кристалл, имеет правильную геометрическую форму. К монокристаллам относятся природные кристаллы: кварц, алмаз, турмалин; крупинки соли, сахара, соды.

Однако в природе чаще встречаются кристаллические тела, в которых множество маленьких кристалликов срослись между собой - поликристаллы. Поликристалл - твёрдое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Примера­ми поликристаллов являются сахар - рафинад, а также такие металлические изделия, как вилки, ложки и другие.

 

Основная часть.

Выращивать кристаллы можно разными способами. В природе, лабораториях и на заводах кристаллы растут из паров, растворов и расплавов. В домашних условиях наиболее подходящим способом является выращивание кристаллов из водных растворов:

а) путем постепенного охлаждения насыщенного горячего раствора. При остывании раствор становится перенасыщенным и не может долго существовать: лишнее вещество выделяется из него и оседает на дно стакана, т.е. образуются крошечные кристаллы-зародыши.

Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей, которые мешают, друг другу расти, поэтому появляется много мелких кристалликов.

б) путём испарения воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы.

Практическая часть

Опыт №1 Выращивание кристаллов поваренной соли. (Приложение 5)

Оборудование: два стакана (стеклянные или пластмассовые), кастрюля с тёплой водой, фильтр из марли или ваты, воронка для фильтрации, термометр.

Кристаллы поваренной соли представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Ход работы: Для получения насыщенного раствора поваренной соли необходимо налить кипячённой (лучше дистиллированной) воды в стакан и поставить его в кастрюлю с тёплой водой (не более 50°С - 60°С). Насыпать пищевую соль в стакан и переме­шать. В 100 г воды при температуре 20 °С может раствориться приблизительно 35 г пова­ренной соли. С повышением температуры растворимость соли растёт. Повто­рять этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться, а будет оседать на дно стакана. Затем раствор перелить в чистый стакан через фильтр, сделанный из обычной марли или ваты, избавившись при этом от излишек соли на дне. Через 2-3 дня появятся первые кристаллики. Из них выбрать более крупный кристаллик поваренной соли, привязать его на нитку и подвесить, чтобы он не касался стенок и дна стакана. Через пару дней можно заметить значительный для кристаллика рост. А если проделать всё то же самое ещё раз, т. е. приготовить свежий насыщенный раствор соли и опустить в него этот кристаллик, то он будет расти гораздо быстрее.

Итог наблюдений: кристаллы поваренной соли растут очень медленно, но имеют правильную кубическую форму и представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Результат №1: я получила множество кристаллов поваренной соли размером от 2 до 8мм, а также вырастила несколько кристаллов размером от 1 до 1,5 см.

Важно помнить! (Приложение 6)

Опыт №2 Выращивание монокристаллов медного купороса.

Оборудование: два стакана (стеклянные или пластмассовые), кастрюля с тёплой водой, фильтр из марли или ваты, воронка для фильтрации, стеклянная палочка, термометр.

Медный купорос - это сине-голубое кристаллическое вещество. (Приложение 7)

Ход работы: Приготовить насыщенный раствор медного купороса. Медный купорос можно растворить при 30 °С всего 25 г на 100 мл воды, а при 80 °С его растворимость увеличивается примерно до 55 г на 100 мл воды. Далее методика выращивания кристаллов медного купороса такая же, как и выращивание кристаллов поваренной соли.

Итог наблюдений: кристаллы медного купороса хорошо растут, но сложно выбрать из первых кристалликов затравки правильной формы.

Результат №2: Получила несколько кристаллов медного купороса, краси­вого синего цвета. Один из них похож на драгоценный камень в виде параллелограмма. Кристаллы медного купороса имеют размеры от 5 до 12 мм, а большие выросли более 3 см. (Приложение 8)

Опыт №3 Выращивание сростков кристаллов - друз медного купороса. (Приложение 9)

Оборудование: два стакана (стеклянные или пластмассовые), кастрюля с тёплой водой, фильтр из марли или ваты, воронка для фильтрации, стеклянная палочка, термометр.

Друза - множество сросшихся кристаллов. Выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориен­тируется на быстрое и беспорядочное выпадение кристаллов.

Ход работы: Нужно приготовить перенасыщенный раствор медного купороса в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течение 3-5 дней, затем вынимают нитку с кри­сталлами, а раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентриро­ванным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим сростком и оставляют на 3-5 дней. Эту процедуру можно повторять до тех пор, пока не удовлетворитесь размером сростка (друза) кристалла.

Итог наблюдений: друза медного купороса растёт быстро. Среди сросшихся кристалликов медного купороса можно различить участки кристаллов ромбической формы.

Результат №3: я получила друза медного купороса размером более 3 см причудливо красивой формы и имеющий насыщенный синий цвет.

Опыт№4 Выращивание кристаллов из алюмокалиевых квасцов.

Оборудование: два стакана (стеклянные или пластмассовые), кастрюля с тёплой водой, фильтр из марли или ваты, воронка для фильтрации, стеклянная палочка.

Алюмокалиевые квасцы представляют собой белый кристаллический порошок, хорошо растворимый в воде.

Ход работы: Растворить алюмокалиевых квасцов в горячей воды столько, чтобы на дне сосуда оставалось немного осадка. Затем остудить раствор до комнатной температуры. Поскольку растворимость квасцов при понижении температуры уменьшается, количество осадка увеличится. Вылить полученный насыщенный раствор в сосуд с широким дном и низкими стенками, чтобы раствор мог свободно испаряться. На следующий день на дне сосуда можно обнаружить осадок, состоящий из мелких кристалликов. Выбрать самые крупные кристаллики, привязать их на нитку и подвесить. С течением времени кристаллы квасцов достигнут больших размеров, следует лишь через каждые 5-6 дней изготавливать свежий раствор.

Итог наблюдений: кристаллы алюмокалиевых квасцов растут быстро, имеют форму октаэдра с усечёнными углами, очень трудно подвесить на нитку из-за плоскогранности.

Результат №4: вырастила множество бесцветных, прозрачных кристаллов от 0,5 до 1 см и два больших, размером более 3 см. (Приложение 10)

Опыт №5 Выращивание фиолетовых кристаллов из набора «Кристалл желаний»

В набор входит: стеклянная баночка, порошок для выращивания кристаллов, кристаллическая таблетка, палочка для перемешивания, пробка.

Я приготовила горячий раствор для выращивания кристаллов в стеклянной баночке по инструкции, и поместила кристаллическую таблетку в получившийся раствор. Убедилась, что выпуклая часть таблетки направлена вверх. Плотно закрыла баночку пробкой, а через 24 часа открыла крышку, т.к. растущий кристалл должен постоянно контактировать с воздухом. (Приложение 11)

Итог наблюдений: Через 20 дней, когда из раствора появились верхушки кристаллов, я слила оставшийся раствор и высушила кристалл. Затем аккуратно удалила кристаллическую корку со стенок банки и закрыла кристалл крышкой.

Результат №5 Я получила много фиолетовых прозрачных игольчатых кристаллов (Прилож. 12).

Опыт №6 Изготовление сувениров из кристаллов: поваренной соли, медного купороса, дихромата калия, алюмокалиевых квасцов. (Приложение 13)

Оборудование: лабораторные стаканы, кастрюля с тёплой водой, водные растворы разных веществ, фильтр из марли или ваты, воронка для фильтрации, проволока, шерстяная нить и другие тела.

Ход работы: Из проволоки приготовить каркасы разных фигурок, обмотать их шерстяными нитками или ватой, окунуть в насыщенный раствор, тут же вынуть и просушить при комнат­ной температуре. Нитки пропитаются раствором и при высыхании на них образуются мельчайшие кристаллики, которые в дальнейшем послужат "затравками". Затем каркасы с разными фигурками опускают в холодные насыщенные растворы и оставляют их в растворах ещё на 1 - 2 сутки для наращивания кристаллов. В результате экспериментов можно получить целую коллекцию сувени­ров.

Итог наблюдений: Кристаллики медного купороса, алюмокалиевых квасцов быстро растут на нити фи­гурок, а кристаллы дихромата калия растут ещё быстрее, но поваренной соли – медленно.

Результат №6: я получила фигурки с кристаллами медного купороса в виде «голубой змейки», «букетика васильков». Из раствора поваренной соли вырастила ветки «заснеженной ели». Очень красивые сувениры получила из раствора дихромата калия. Кристаллы имеют ярко оранжевый цвет. Была в восторге от выращенных кристаллов на искусственных цветах и на каркасе в виде сердечка. Из алюмокалиевых квасцов вырастила «каменный цветок».

 

Заключение

Я изучила методику по выращиванию кристаллов и вырастила кристаллы из насыщенных растворов различных веществ в домашних условиях путём охлаждения и испарения.

Обобщив материал, я пришла к выводам:

• Если раствор охлаждать быстро, то кристаллы тоже будут расти быстро, но их форма окажется неправильной - это друза медного купороса.

• Если, раствор охлаждать медленно, то вырастает монокристалл правильной формы.

• Кристаллы различных веществ имеют разную форму.

• Кристаллы, которые я вырастила и их модели, которые я изготовила, можно применять как наглядный материал на уроках физики, химии при изучении кристаллических тел, и на уроках геометрии при изучении правильных многогранников.

• Полученные кристаллы можно дарить в качестве сувениров и подарков, а также использовать создания композиций и воплощения дизайнерских идей.

Выращивание кристаллов – процесс занимательный, требующий аккуратности, внимательности и большого терпения.

 

Список литературы

1. Физика 10 класс. Авторы: Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Соцкий; Москва, Просвещение, 2013.
2. Гребенкина Т.М. Физика. 10 класс. Проектная деятельность. ИТД «Корифей», 2008
3. Геометрия 10-11 кл. Авторы: Л.С. Атанасян, В.Ф. Бутузов и др. – М.: Просвещение, 2007
4. Химия 8 класс, автор: О.С. Габриелян, издательство «Дрофа», 2013
5. Физика 10 класс, автор В.А. Касьянов, издательство «Дрофа», 2004
6. Фёдоров Евграф Степанович – Википедия

1. file1_8545644a-349e-421f-ba14-306d4d0fa816.doc (27,1 МБ)

Опубликовано: 01.11.2024